【2017年整理】第3讲 数据通信基础及通信介质

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1、1 Department of Computing第 3讲 数据通信基础2 Department of Computing知识回顾 计算机网络的体系结构 计算机网络体系结构的形成 协议与划分层次 具有五层协议的体系结构 实体、协议、服务和服务访问点 TCP/IP 的体系结构3 Department of Computing本讲内容 物理层的基本概念 数据通信的基础知识（本讲重点） 数据通信系统的模型 有关信道的几个基本概念 信道的最高码元传输速率 信道的极限信息传输速率 通信介质 导引型传输媒体：双绞线、光纤等 非导引型传输媒体：短波、无线电微波接力通信、卫星通信、红外通信、激光通信4 Dep

2、artment of Computing物理层的功能 物理层的定义 ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。 物理层的功能 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。 研究内容 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。 物理层的四个重要特性 机械特性 (mechanical characteristics) 电气特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characte

3、ristics) 规程特性 (procedural characteristics)5 Department of Computing物理层的特性（1） 机械特性 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。 常用的标准接口 ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22 电气特性 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速

4、率和距离限制。 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。6 Department of Computing物理层的特性（2） 功能特性 主要定义各条物理线路的功能。 线路的功能分为四大类： 数据 控制 定时 接地 规程特性 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。7 Department of Computing典型的物理层标准接口（1） 1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。

5、用于DTE/DCE之间的接口。 RS-232-C的不足与改进 不足 传输性能低，距离短，速率低。 改进 重新设计，X.21； 以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。8 Department of ComputingRS-232-C的电路图9 Department of ComputingRS-232-C的实物图10 Department of Computing典型的物理层标准接口（2） EIA RS-449 是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。 机械特性 37芯或9芯连接器。 电气特性 与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性 R

6、S-423-A，20Kbps以下 其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A 和RS-423-A，20Kbps 2Mbps 功能特性 定义了30条功能线。 规程特性 基本上以RS-232-C为基础11 Department of Computing典型的物理层标准接口（3） CCITT X.21：在公共数据网PDN中进行同步操作的DTE/DCE之间的通用接口。 1980年的X.21由两部分组成： “通用接口”：真正的物理层部分； 用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于DTE之间的连接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。 机械特性 15针连接器，ISO 4903。 电气特性 采用非平衡型电气

7、特性和平衡型电气特性。 传输速率：600，2400，4800，9600，48000bps DTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型电气特性 功能特性 定义了8条功能线。 规程特性 分成四个工作阶段：空闲，呼叫控制，数据传送，清除12 Department of Computing数据通信系统的模型 传输系统输入信息 输入数据 发送的信号 接收的信号 输出数据源点 终点发送器 接收器调制解调器PC 机 公用电话网 调制解调器数字比特流 数字比特流模拟信号 模拟信号 正文 正文数据通信系统源系统 目的系统传输系统 输出信息PC 机13 Department of Computi

8、ng术语 数据(data)运送信息的实体。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 模拟的(analogous)连续变化的。 数字的(digital)取值是离散数值。 调制把数字信号转换为模拟信号的过程。 解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 14 Department of Computing基本概念 单向通信（单工通信）(例：无线电广播） 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）（例：对讲机） 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）(例：电话) 通信的双方可以同时发送和接收信息。 需要具有两条物

9、理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。15 Department of Computing发送器 接收器发送器/接收器发送器/接收器 发送器/接收器发送器/接收器单工方式：半双工方式：全双工方式： A站 B站可同时不可同时通信方式16 Department of Computing 基带信号 就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 频带信号（带通信号） 将基带信号进行载波调制后形成的频分复用模拟信号。 基带传输 不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 例如：以太网（局域网） 频带传输 基带信号信号

10、经过调制后能在公用电话网传输，并且可以解调的传输方式。 宽带传输 把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：闭路电视的信号传输传输方式17 Department of Computing编码示意图18 Department of Computing模拟的和数字的数据、信号 模拟数据 模拟信号放大器调制器模拟数据 数字信号 PCM编码器数字数据 模拟信号调制器数字数据 数字信号 数字发送器19 Department of Computing数字数据的调制信号编码20 Department of Computing信道的最高码元传输速率 任何实际的信道都不

11、是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 码元：数字信号中每一位的通称。通常又称为“位”或“Bit”。即可以用二进制表示，也可以用其它进制的数表示。 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。 码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为波特,常用符号Baud表示，简写为B。21 Department of Computing同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码

12、元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元1 码元2 码元3 码元4 码元5信号同步脉冲 t信道的码元22 Department of Computing数字信号通过实际的信道 失真不严重 失真严重 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形 输出信号波形(失真不严重)输入信号波形 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输出信号波形(失真严重)23 Department of Computing奈氏(Nyquist)准则 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。 频率变化较缓慢

13、的就是低频（频率低，时间长，速度就慢），频率是时间的倒 数。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0 频率(Hz)W (Hz) 24 Department of Computing另一种形式的奈氏准则 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。 “理想低通信道”就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。 而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。 “带通信道”只允许 上下限之间 的信号频率成分不失真的通过，其他频率成分不能通过。 理想带通特性信道的最高码元传输

14、速率 = W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0 频率(Hz)W (Hz) 不能通过25 Department of Computing注意事项 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。 码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。26 Depart

15、ment of Computing信道的极限信息传输速率 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为：香农公式 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。 可以用香农公式来计算电话线的数据传输速率。 通常音频电话连接支持的带宽B=3KHz，而一般链路典型的信噪比是30dB，即S/N=1000，因此有C=3000log2（1001），近似等于30Kbps，因此如果电话网的信噪比没有改善或不使用压缩方法，“Modem”将达不到更高的速率。27 Department of Computing香农公式 香农在信息论中指出， 如果信源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信源的